Đồ án trắc địa biển Tìm hiểu về các công nghệ đo sâu hiện nay

Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
MỤC LỤC
MỤC LỤC 1
LỜI NÓI ĐẦU 2
Chương 1 4
KHÁI QUÁT VỀ CÁC CÔNG NGHỆ ĐO SÂU 4
Chương 2 11
MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ CÁC CÔNG NGHỆ ĐO SÂU 11
Chương 3 36
ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ ỨNG DỤNG CÁC CÔNG NGHỆ ĐO SÂU 36
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 41
TÀI LIỆU THAM KHẢO 43
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 1 Líp: Tr¾c §Þa
Trờng Đại học Mỏ - Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
LI NểI U
Vi khong 3200km b bin, Vit Nam l mt quc gia cú u im rt
ln v bin. Trong giai on cụng nghip húa, hin i húa t nc, ng v
Nh nc ch trng phỏt trin kinh t bin. Do ú vic xõy dng cỏc cụng
trỡnh bin phc v cỏc nhim v phỏt trin kinh t, nghiờn cu khoa hc v
bin, quan trc s thay i mụi trng bin, kho sỏt ỏy bin, theo dừi quỏ
trỡnh trm tớch ỏy bin, khai thỏc ti nguyờn khoỏng sncng ang c y
mnh. Vic i mi v ỏp dng cỏc cụng ngh mi, cỏc phng phỏp tiờn tin
trong o c bin nhm nõng cao chớnh xỏc, gim thi gian thi cụng m
bo an ton lao ng l nhim v rt cn thit.
thit k, thi cụng xõy dng c cỏc cụng trỡnh trờn bin thỡ chỳng ta
cn phi cú trong tay bn a hỡnh ỏy bin. Cú rt nhiu phng phỏp,
cụng ngh o sõu trờn bin do vy tụi chn ti Tỡm hiu v mt s cụng
ngh o sõu trờn bin lm ti tt nghip ca mỡnh. ti cú mc tiờu tỡm
hiu, nghiờn cu v u nhc im, chớnh xỏc v phm vi ng dng ca cỏc
cụng ngh sõu trờn bin hin nay.
B cc ca ỏn gm 3 chng:

Chng 1: Khỏi quỏt v cỏc cụng ngh o sõu.
Chng 2: Mt s kin thc v cỏc cụng ngh o sõu.
Chng 3: chớnh xỏc v ng dng ca cỏc cụng ngh o sõu.
Trong thi gian thc hin ỏn tt nghip ny, c s hng dn nhit
tỡnh ca thy giỏo XXXXXXXX cựng cỏc thy, cụ trong khoa Trc a, v s
n lc ht sc mỡnh, em ó hon thnh ỏn tt nghip ny.
SV: Nguyễn Nhữ Thành 2 Lớp: Trắc Địa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
Mặc dù đã rất cố gắng nhưng do kiến thức còn hạn hẹp, kinh nghiệm
thực tế chưa nhiều, thời gian hạn chế nên không tránh khỏi những thiếu sót.
Em mong được sự đóng góp ý kiến của thầy, cô giáo trong khoa Trắc địa
và các bạn đồng nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hà Nội, tháng 09 năm 2014
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Nhữ Thành
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 3 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
Chương 1
KHÁI QUÁT VỀ CÁC CÔNG NGHỆ ĐO SÂU
1.1. ĐO SÂU HỒI ÂM
1.1.1. Khái niệm về đo sâu hồi âm
Đo sâu hồi âm là xác định độ sâu của nước trên cơ sở xác định thời gian
lan truyền sóng âm thanh trong môi trường nước và vận tốc lan truyền sóng âm
để xác định khoảng cách từ nguồn phát sóng âm (máy đo sâu) đến đối tượng
phản xạ sóng âm (đáy biển).
Hình 1.1- Nguyên lý xác định khoảng cách từ nguồn phát đến
đối tượng phản xạ
1.1.2. Phân loại đo sâu hồi âm
Theo nguyên tắc phát tia âm thanh, có thể chia thành 2 loại:

a, Đo sâu hồi âm đơn tia
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 4 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
Là công nghệ đo sâu phát ra một tia xung theo hướng định trước.
Hình 1.2- Máy đo sâu hồi âm đơn tia
b, Đo sâu hồi âm đa tia
Cần phát biến không những phát ra tia thẳng đứng mà còn phát ra chùm
xung theo dải hẹp về phía mũi tàu và đuôi tàu.
Độ rộng của chùm tia này theo chiều ngang thân tàu rộng từ 60
0
đến
150
0
, đủ quét một diện tích theo chiều ngang thân tàu có chiều rộng gấp 7 lần
độ sâu từ mặt nước biển đến đáy biển.
Máy đo sâu chùm tia thường có từ 60 đến 150 tia.
Sau khi các tia âm thanh phản xạ từ đáy biển trở về cần phát biến sẽ được
xử lý là một trị đo sâu.
Các tia nghiêng được cải chính thành độ sâu thẳng đứng, tọa độ các điểm
tiếp đáy của các tia này cũng được tính toán từ tọa độ tâm cần phát biến.
Với máy đo sâu hồi âm chùm tia ta có thể đo vẽ địa hình đáy biền khá
chi tiết và đạt năng suất cao.
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 5 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
Hình 1.3- Máy đo sâu hồi âm đa tia
1.1.3. Ưu nhược điểm của phương pháp đo sâu hồi âm
a, Ưu điểm
• Hệ thống dễ triển khai trong thực tế, dễ sử dụng.
• Hệ thống toạ độ đầu phát biến làm cơ sở , không cần hệ thống các
mốc tín hiệu hoặc bộ ứng đáp gắn dưới đáy biển.

• Chi phí thấp.
b, Nhược điểm
• Hệ thống yêu cầu số hiệu chỉnh chi tiết các tham số về môi trường.
• Cần có xưởng sửa chữa tàu để hiệu chỉnh hệ thống.
• Phụ thuộc nhiều vào các trạm Base đặt trên bờ.
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 6 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
1.2. ĐO SÂU SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ SIDE-SCAN SONAR
1.2.1. Khái niệm về công nghệ side-scan sonar
SONAR được viết tắt bởi Sound Navigation And Ranging. Công nghệ
Sonar cũng hoạt động tương tự như các hệ thống RADAR có điều công nghệ
sonar sử dụng tần số cao hơn so với các tần số sử dụng chuyên dụng trong các
lĩnh vực như y tế…nhưng lại sử dụng tần số xung thấp hơn so với tần số được
sử dụng trong thăm dò trầm tích.
Side scan sonar được phát triển vào những năm 1960 để sử dụng như
một công cụ xác định vị trí xác tàu, và kể từ đó việc sử dụng công nghệ sonar
được coi như tiêu chuẩn trong công tác khảo sát địa hình đáy biển, lập bản đồ
địa hình đáy biển, khảo sát thủy triều hoặc khảo cổ học.
Hình 1.4- Đo sâu sử dụng công nghệ Side Scan Sonar
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 7 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
1.2.2. Ưu nhược điểm của phương pháp đo sâu side scan sonar
a, Ưu điểm
• Hệ thống dễ dàng triển khai trong thực tế, dễ sử dụng.
• Cung cấp độ chính xác cao trong khu vực lớn.
b, Nhược điểm
• Cần có xưởng sửa chữa tàu để hiệu chỉnh hệ thống.
• Do đầu cảm biến được thả xuống nước và được kéo bằng cáp, do vậy
rất bất lợi cho những khu vực nhiều chướng ngại vật, hơn nữa phụ thuộc rất
nhiều vào độ bền dây cáp.

1.3. ĐO SÂU LAZER
1.3.1. Khái niệm về công nghệ đo sâu lazer
Trong những năm gần đây công nghệ đo sâu LiDAR đã trở thành một
phương pháp rất phổ biến. Phương pháp này đã thể hiện được tính kinh tế khi
có thể đo cao và đo sâu với độ chính xác cao trên diện tích rộng một cách
nhanh chóng.
Lidar sử dụng một hoặc một chùm tia lazer để hoạt động. LiDAR được
viết tắt bởi: Light Detection And Ranging. Hệ thống sử dụng tia lazer có bước
sóng nằm trong dải cận hồng ngoại từ 532nm đến 1064nm.
Hệ thống Lidar có thể nhanh chóng quét được bề mặt trái đất, với tốc độ
quét hơn 150 kiloHertz (tức là khoảng 150.000 xung điện mỗi giây). Dữ liệu
thu thập được là một mạng lưới dày đặc độ cao của các điểm cách đều nhau với
độ chính xác cao, từ đó có thể sử dụng để tạo ra mô hình 3D bề mặt trái đất
hoặc địa hình đáy biển. Nhiều hệ thống Lidar sửu dụng dạng tia lazer màu màu
xanh lá cây để dễ dàng truyền trong nước để có thể quét được địa hình dưới
nước. Hệ thống Lidar đo sâu phần lớn chỉ có thể sử dụng được ở những nơi
nước trong, xanh. Thông thường, đo sâu Lidar cho độ chính xác từ 6 đến 12
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 8 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
inch (15-30 cm) với hệ thống cũ, nhưng hiện nay với sự phát triển của khoa
học công nghệ thì cho độ chính xác lên tới 4-8 inch (10-20 cm).
Hình 1.12- Công nghệ đo sâu Lazer
1.3.2. Ưu nhược điểm của phương pháp đo sâu lazer
a, Ưu điểm
• Hệ thống dễ dàng triển khai trong thực tế, dễ sử dụng.
• Cung cấp độ chính xác cao trong khu vực lớn. Có thể sử dụng để
khảo sát địa hình cả trên bờ và dưới biển.
• Thời gian khảo sát nhanh. Tiết kiệm thời gian và nhân lực.
b, Nhược điểm
• Chi phí cho hệ thống khá cao.

SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 9 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
• Phục thuộc rất nhiều vào độ trong, độ mặn của nước biển.
• Phụ thuộc nhiều vào bộ phận định vị tọa độ tức thời của máy bay, do
máy bay bay với vận tốc rất lớn.
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 10 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
Chương 2
MỘT SỐ KIẾN THỨC VỀ CÁC CÔNG NGHỆ ĐO SÂU
2.1. SỰ LAN TRUYỀN SÓNG ÂM THANH TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC
2.1.1. Sự lan truyền sóng âm trong môi trường nước
Bản chất của sóng âm thanh là sự lan truyền sóng cơ học trong môi
trường nước , đó là sự tác động liên tục quá trình tiếp nhận và truyền tải năng
lượng của dao động âm. Hiện tượng sóng âm phổ biến nhất là sóng dọc, khi
sóng âm truyền qua môi trường các phân tử nước rung động trong môi trường
tạo ra mật độ và áp suất thay đổi dọc theo hướng chuyển động của sóng. Sự
thay đổi áp suất được hiểu như sóng âm hoặc thừa áp , thừa áp Pe được định
nghĩa như sau:
Pe = P –P0 (2.1)
Trong đó P là áp suất tức thời , P0 là áp lực thuỷ tĩnh hay nói cách khác
là áp lực không có sự thay đổi .
Do áp suất lớn, các hạt trong môi trường nước sẽ bắt đầu di chuyển , kết
quả là khoảng cách giữa các phân tử thay đổi giống như một hàm của thời gian
và vị trí. Để âm thanh truyền qua môi trường , môi trường được co lại. Lực nén
ký hiệu s , s được biểu diễn bằng 1/Pa , nó là thể tích căng trên một đơn vị và
được biểu diễn như sau :
e
P
vv
s

0
/∆
−=
(2.2)
Khi
υ
∆
thay đổi trong thể tích ban đầu và Pe được chấp nhận , nếu s là
hằng số thì có thể hiểu như định luật Hooke. Sự phản hồi của lực nén được
hiểu như hệ số tải trọng k . Đối với biên độ sóng âm thanh nhỏ, xem xét ở đây
lực nén và hệ số tải trọng có thể coi là hằng số.
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 11 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
Từ khi có nhiễu cục bộ, môi trường không thể ngay lập tức truyền tín
hiệu, sự lan truyền sóng âm thanh xảy ra cùng một lúc với sự xáo trộn tương
ứng với vận tốc âm v. Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào hệ số tải trọng k và mật
độ
0
ρ
trung bình được tính như sau :
00
.
1
ρρ
υ
s
k
==
(2.3)
Với k = 2,2x10-9 Pa và P0 = 1000(kg/m3) , tốc độ âm trong môi trường

nước xấp xỉ 1480m/s. So sánh với tốc độ âm trong sắt là khoảng 5050 m/s và
trong không khí là 330 m/s.
Ta cũng có thể dùng công thức tích phân trung bình để xác định vận tốc
âm trong nước:
∫
−
=
−
=
2
1
1212
2,1
)(
)(
1
)(
t
t
TB
dttV
tttt
D
V
(2.4)
Trong đó D1,2 là khoảng cách, V(t) là vận tốc âm (phụ thuộc vào độ sâu
H, nhiệt độ T và độ muối S).
2.1.2. Phương pháp xác định tốc độ âm
Chúng ta có rất nhiều cách để xác định tốc độ âm thanh trong môi trường
nước. Hiện nay với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, việc xác

định tốc đô âm trở nên đơn giản.
Tốc độ âm thanh phụ thuộc vào các yếu tố sau:
Nhiệt độ: Nhiệt độ tại bề mặt biển thay đổi theo vị trí địa lý trên trái đất,
theo mùa trong năm, theo thời gian trong ngày. Sự phân bố nhiệt độ là một
trường phức tạp và không thể dự đoán một cách chính xác cho mục đích khảo
sát thuỷ văn. Sự biến đổi của nước theo độ sâu khá phức tạp vì thế dự đoán
một cách chính xác mặt cắt tốc độ âm phục vụ cho nhiệm vụ khảo sát đo đạc
biển là không đơn giản.
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 12 Líp: Tr¾c §Þa
Trờng Đại học Mỏ - Địa Chất Đồ án tốt nghiệp
sõu khỏ nhy cm i vi nhng bin i ca mt ct tc õm,
nc sõu khỏc nhau s cú nhit khỏc nhau. S bin i ca 10C
(Celsius) lm tc õm thay i khong 4,5m.
Cỏc bin i nhit nh hng ln nht ti s thay i tc õm sau
ú mi ti ỏp sut.
Hỡnh 2.1- Mt ct nhit theo sõu
sõu lp nc trong khong t 200m 1000m cú nhit thay i
nhiu nht v tc õm lỳc ny nh hng ln nht bi nhit .
mn ca nc: mn ca nc l mt thc o ho tan ca mui v
cỏc khoỏng cht khỏc trong nc bin. Bỡnh thng nú c nh ngha nh
tng s lng cht rn ho tan trong nc bin trờn mt phn nghỡn(ppt hoc
)
Trong thc t mn khụng c xỏc nh mt cỏch trc tip nhng
c tớnh toỏn t lng clo ca nc , ch s khỳc x õm hay thuc tớnh khỏc
no ú m cú liờn quan ti mui. Mu mc clo cú trong nc bin c
s dng lm mu mn.
SV: Nguyễn Nhữ Thành 13 Lớp: Trắc Địa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
Hình 2.2- Biểu đồ độ mặn nước biển trên thế giới, đơn vị tính là
đơn vị muối thực tế

Độ mặn trung bình của nước biển khoảng 35‰. Tỷ lệ thay đổi của tốc độ
âm thanh xấp xỉ 1,3m/s cho sự thay đổi 1‰ của độ mặn.
Áp suất : Áp suất cũng tác động đáng kể tới vận tốc âm thanh. Áp suất là
hàm của độ sâu và khoảng thay đổi của tốc độ âm khoảng 1,6m/s với 10
atmospheres xấp xỉ khoảng 100m độ sâu.
Mật độ nước phụ thuộc vào các thông số trước đó tức là nhiệt độ, áp suất,
độ mặn. Năm mươi phần trăm nước biển có mật độ nằm trong khoảng 1027.7
và 1027.9 kg/m3. Sự ảnh hưởng lớn nhất về mật độ là áp lực nén theo độ sâu.
Nước có mật độ 1028.0kg/m3 tại bề mặt thì sẽ có mật độ là 1050.0kg/m3 ở độ
sâu 5000m.
Tốc độ âm thanh v trong nước biển có thể thể hiện như một hàm nhiệt độ
T, áp suất P( độ sâu H), độ mặn S. Những tham số này ảnh hưởng tới thuộc
tính tải trọng của môi trường. Các thông số khác như bọt khí và các vi sinh vật
cũng ảnh hưởng tới tốc độ âm. Tốc độ âm thường sử dụng trong môi trường lý
tưởng, công thức chung như sau:
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 14 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
v = f(T,p,S) = f (T, H, S) (2.5)
Người ta đa nghiên cứu và đưa ra một số công thức thực nghiệm để xác
định tốc độ âm trong nước:
Công thức xác định tốc độ âm với đơn vị m/s với các thông số nhiệt độ
(T), độ sâu (H) , độ mặn S(ppt)
Bảng 2.1: Công thức tốc độ âm theo T, H, P
Các công thức Giới hạn sử dụng
( ) ( )
( ) ( )
( )( )
HST
ST
TTv

22
2
2
2
3
10*6.13518*10
35*2.11810*4
1010*610*39.1492
−−
−
−
+−−−
−+−−
−−−+=
5.242
≤≤−
T
4230
10000
≤≤
≤≤
S
H
(2.6)
( )
( )
HST
T
TTv
22

34
22
10*6.135*1034.1
10*9.2
10*5.56.49.1492
−−
−
−
+−−+
+
−+=
450
10000
350
≤≤
≤≤
≤≤
S
H
T
(2.7)
313
227
2
34
22
*10*139.7
)35(10*025.1*10*675.1
*10*630.1)35(*340.1
*10*374.2

*10*304.5*591.496.1448
HT
STH
HS
T
TTv
−
−−
−
−
−
−
−−+
+−+
+
−+=
4030
80000
300
≤≤
≤≤
≤≤
S
H
T
(2.8)
Điển hình công thức thực nghiệm được trình bày ở Bảng 2.1 là tốc độ âm
thanh tăng cùng với sự gia tăng nhiệt độ , độ sâu , độ mặn. Từ các biểu thức tốc
độ âm thanh tăng nhanh khi nhiệt độ tăng.
Có hai thiết bị dùng xác định tốc độ âm trong môi trường nước :

Một là sử dụng thiết bị “ cảm biến nhiệt ” (Bathyermograph) có hình
dạng quả ngư lôi trong đó chứa thiết bị cảm biến nhiệt độ và một đầu dò để
phát hiện sự thay đổi về độ sâu. Các “ cảm biến nhiệt ” có thể cung cấp thông
tin về nhiệt độ mà không cần lấy lại bộ phận cảm biến . “ Cảm biến nhiệt ”
chuyển mối quan hệ nhiệt độ và độ sâu thành tốc độ âm thanh. Với thiết bị này
người ta coi biểu đồ độ mặn không cần thiết , vì lý do đó “ Cảm biến nhiệt ”
được sử dụng ở những vùng nước sâu.
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 15 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
Hình 2.3- Thiết bị cảm biến nhiệt
Hai là máy đo tốc độ âm (Velocimeter) là thiết bị xác định tốc độ âm dựa
trên nguyên lý xác định thời gian đi và về giữa một máy phát và một bộ thu cố
định. Dụng cụ này chính xác trong mọi điều kiện bao gồm cả nhưng nơi có
biến thiên về độ mặn lớn.
Hình 2.4- Máy đo
vận tốc âm
2.1.3. Hiện tượng
suy giảm cường độ
âm trong nước
Sự suy giảm là
sự mất năng lượng
của một làn sóng âm truyền trong môi trường nước và bị hấp thụ, lan toả theo
hình cầu và bị tán xạ bởi các phần tử trong cột nước.
Sự suy giảm là kết quả của phân ly và kết hợp của một số phần tử trong
cột nước ví dụ như magie sun phát ( MgSO
4
) là nguồn hấp thụ chính trong
nước biển. Tỷ lệ hấp thụ phụ thuộc vào tính chất vật lý và hoá học của nước
biển và trên các tần số âm thanh được truyền đi.
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 16 Líp: Tr¾c §Þa

Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
Hình 2.5- Hệ số hấp thụ của sóng âm theo nhiệt độ và độ sâu
Sự lan toả hình cầu phụ thuộc vào cấu trúc hình học , với một góc khối
năng lượng âm truyền qua một diện tích khi khoảng cách từ nguồn âm tăng. Cả
hai đều bị tổn thất do sự hấp thụ và lan toả hình cầu được tính đến trong
phương trình truyền âm theo công thức:
EE = SL -2TL – (NL - DI) +BS – DT (2.9)
Trong đó :
EE (Echo Excess) số dư âm thanh
SL (Source level) Mức nguồn âm
TL (Transmission loss) tổn thất do truyền âm thanh trong môi trường nước
NL ( Noise level) Mức độ nhiễu âm thanh trong môi trường nước
DI ( Directivity index) Chỉ số hướng của âm thanh trong môi trường nước
BS (Bottom backscattering strength) cường độ tán xạ của đáy biển
DT ( Detection threshold) Ngưỡng tách sóng
Tuy nhiên sự tổn thất từ tán xạ phụ thuộc vào các phần tử hoặc các đối
tượng có trong cột nước. Tán xạ chủ yếu do các sinh vật biển, là nhân tố chính
trong lớp phát tán sâu ( DSL : Deep Scattering Layer) bao gồm lớp của sinh vật
phù du có độ sâu khác nhau, thay đổi hàng ngày.
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 17 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
Khúc xạ là hiện tượng trong đó hướng lan truyền của sóng âm thanh bị
thay đổi do thay đổi tốc độ âm lan truyền trong môi trường hoặc giống như
năng lượng đi qua bề mặt chung , đại diện cho tính không liên tục của tốc độ
âm giữa hai bề mặt.
1221
1122
1
VPVP
VPVP

P
P
R
+
−
==ℜ
(2.10)
Hình 2.6- Nguyên lý khúc xạ tia âm thanh
Theo định luật Snell và xem xét hai lớp nước trong đó có vận tốc âm
khác nhau v
1
, v
2
. Nếu v
1
> v
2
hướng chuyền của sóng âm thanh sẽ thay đổi
theo quy luật góc chuyền sẽ nhỏ hơn góc tới. Ngược lại, thì góc chuyền sẽ lớn
hơn góc tới.
Hệ số khúc xạ theo áp suất ký hiệu là
ℜ
tính được theo công thức (2.10)
[Kinsler et al, 1982] chính là tỷ lệ áp lực biên độ của sóng phản xạ bởi
các áp lực biên của sóng tới.
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 18 Líp: Tr¾c §Þa
v
1
<v
2

v
1
>v
2
v
2
v
1
v
1
v
2
1
θ
1
θ
2
θ
2
θ
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
Đối với các điều kiện chung , tỷ lệ của cường độ âm thanh phản xạ và
truyền qua phụ thuộc chủ yếu vào:
• Tương phản giữa trở kháng của các thiết bị
• Địa hình đáy biển
• Tần số âm
Những đặc trưng của một máy dò bằng tiếng dội được xác định bằng
những bộ chuyển đổi, tức là tính định hướng, chùm tia, chiều rộng, sự điều
khiển chùm tia và cường độ tại cạnh biên.
a. Tần số âm

Các tần số âm thanh là những tham số để xác định phạm vi và những
vùng mà âm thanh có thể đi qua. Sự suy giảm của tín hiệu âm trong nước tỷ lệ
với tần số, tần số càng cao thì sự suy giảm càng nhanh, tức là đo được khoảng
cách ngắn, ngược lại tần số càng thấp thì càng đo được khoảng cách dài.
Độ rộng chùm tia phụ thuộc vào độ dài sóng âm thanh và kích thước của
bộ cảm biến. Đối với cùng một độ rộng chùm tia tần số thấp hơn sẽ đòi hỏi
phải có bộ chuyển đổi lớn.
Tần số theo độ sâu thể hiện như sau :
• Vùng nước nông hơn 100m : tần số cao hơn 200kHz
• Vùng nước nông hơn 1500m : tần số 50 – 200 kHz
• Vùng nước sâu hơn 1500m : tần số 12 – 50 kHz
• Các tần số cho độ sâu bề mặt đáy biển là dưới 8kHz
b. Độ rộng băng tần
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 19 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
Hình 2.7- Độ rộng băng tần của bộ phát biến
Lấy f
0
là tần số của truyền tải điện tối đa( cộng hưởng tần số ) và f
1
, f
2
là
tần số tương ứng với nửa cường độ tín hiệu, độ rộng băng tần là khoảng tần số
giữa các tần số, tức W = f
2
– f
1

Hệ số chất lượng của bộ phát biến Q được tính bởi công thức :

W
f
Q
0
=
(2.11)
Từ các định nghĩa trên có thể thấy rằng Q và W có sự thay đổi tỷ lệ
nghịch. Do đó, để tối ưu hoá truyền tải năng lượng, các bộ chuyển đổi nên
chuyển gần với các tần số cộng hưởng và do đó có độ rộng băng tần nhỏ, tức là
giá trị hệ số chất lượng cao. Trong quá trình lựa chọn Q là cần thiết để có sự
phản hồi tốt và phân biệt với các tín hiệu khác, tuy nhiên Q cũng phải được xác
định trong dải tần số , độ rộng băng tần của bộ phát biến thoả mãn W
τ
1
≥
với
τ
là khoảng thời gian của xung.
c. Chiều dài xung
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 20 Líp: Tr¾c §Þa
Tần số
Tăng
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
Độ dài của xung xác định năng lượng truyền vào trong nước, với cùng
một cường độ thì xung càng dài thì cần nhiều năng lượng hơn để đi sâu vào
trong nước và để đi qua một khoảng cách lớn có thể thực hiện được với hệ
thống dò tín hiệu âm.
Để tận dụng lợi thế của bộ chuyển đổi tần số cộng hưởng thời gian xung
nên có ít nhất một nửa chu kỳ tự nhiên. Hạn chế của xung dài là giảm độ tin
cậy của hai bên rìa xung.

Hình 2.8- Chiều dài xung
2.2. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC CÔNG NGHỆ ĐO SÂU
2.2.1. Đo sâu hồi âm
2.2.1.1. Cấu trúc của máy đo sâu hồi âm
Cấu trúc của máy đo sâu hồi âm bao gồm 5 phần cơ bản:
• Đồng hồ: Là đồng hồ chính xác, dựa trên dao động điện rất ổn định
của tinh thể thạch anh khi chịu tác động của điện áp kích thích.
• Nguồn phát xung: Là nguồn điện, phát ra các xung điện dạng răng
cưa chữ nhật với dãn cách ổn định cao.
• Bộ biến đổi: Bộ biến đổi có nhiệm vụ biến đổi điện năng thành âm
năng khi phát tín hiệu và biến đổi âm năng thành điện năng khi thu tín hiệu.
Tín hiệu âm thanh được lan truyền theo chùm tia hình nón từ bộ phận gọi là
Cần phát biến. Bộ phận biến đổi rất nhạy cảm với các dao động cơ học do vậy
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 21 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
để tránh ảnh hưởng của các dao động cơ học khác, người ta bố trí bộ phận biến
đổi ở vị trí tĩnh nhất của tàu, không gần động cơ tàu, xa vị trí sóng va đập vào
thành tàu…thường thì người ta bố trí bộ phận biến đổi phía ngoài tàu, trên một
bộ phận có hình “Chiếc giầy”. Bộ phát và bộ thu tín hiệu được bố trí cách nhau
một khoảng nhất định, có thể bố trí ở hai bên tàu.
• Hệ thống hiển thị và ghi nhận kết quả: Kết quả đo sâu được tự
động ghi lên giấy, băng giấy được chuyển động tỷ lệ thuận với thời gian. Tốc
độ của băng giấy trong khoảng tử 14mm/phút đến 46mm/phút. Các máy đo sâu
thế hệ cũ thường chỉ có một kết quả đo sâu thể hiện trên băng đo sâu, nhưng
các thế hệ máy đo sâu hiện đại, ngoài kết quả ở dạng băng đo sâu hoặc hiển thị
kết quả dạng số trên màn hình tinh thể lỏng mà còn cho phép ghi ở dạng tệp số
liệu do đó nó có độ chính xác cao hơn việc nội suy băng đo sâu, đồng thời dễ
tự động hóa quá trình xử lý số liệu trên máy tính.
• Nguồn điện: Máy đo sâu hồi âm sử dụng các nguồn điện là các ắc
quy có điện áp ổn định và thường có hiệu điện thế là 12v hoặc 24v.

2.2.1.2. Nguyên lý chung của đo sâu hồi âm
Để nâng cao hiệu suất của máy người ta sử dụng sóng siêu âm và phát
sóng đi theo một phương định trước, ví dụ như phát sóng theo phương thẳng
đứng. Bộ phận phát và bộ phận thu của máy đo sâu hồi âm bố trí cách nhau
một khoảng là 2, từ đó ta có công thức tính độ sâu lý thuyết như sau:
( )
2
2
1
.
2
Z V t b= ∆ −
(2.12)
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 22 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
Hình 2.9- Nguyên lý xác định độ sâu
Khi sử dụng máy đo sâu ở những vùng nước sâu, giá trị b sẽ khá nhỏ so
với độ sâu Z, do vậy có thể bỏ qua và lúc này công thức lý thuyết sẽ có dạng
như sau:
1
.
2
Z V t= ∆
(2.13)
Từ công thức trên ta có thể tính ra được độ sâu, nhưng để nhận được độ
sâu thực cần phải tính thêm một số số hiệu chỉnh vào công thức trê, thí dụ như
số hiệu chỉnh vị trí điểm “0” do máy đo sâu được đặt dưới mặt nước một
khoảng nhất định.
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 23 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp

2.2.1.3. Giới thiệu một số máy đo sâu hồi âm
Bảng 2.2: Các loại máy đo sâu đơn tia
Bảng 2.3: Các loại máy đo sâu đa tia của hãng SIMRAD (Nauy)
2.2.2. Công nghệ đo sâu Side Scan Sonar
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 24 Líp: Tr¾c §Þa
Trêng §¹i häc Má - §Þa ChÊt §å ¸n tèt nghiÖp
2.2.2.1. Cấu trúc của hệ thống Side Scan Sonar
Hệ thống Sonar bao gồm một thiết bị phát – thu tín hiệu, một bộ cảm
biến dưới nước, và một cáp để kết nối giữa thiết bị ghi dữ liệu với bộ cảm biến.
a, bộ phận cảm biến (towfish)
Hình 2.10- Bộ phận cảm biến (towfish)
Có rất nhiều loại cảm biến khác nhau, nhưng thường chia thành 2 loại
phổ biến theo tần số hoạt động: loại DF (100 / 325kHz) và loại EDF (325 /
780kHz). Đối với nhiệm vụ khảo sát chung thì sử dụng loại DF là hợp lý nhất.
Trong chế độ 100kHz thì mặt cắt tìm kiếm lên đến 1000m rộng, rất hữu ích cho
việc tìm kiếm cho các đối tượng lớn hơn như xác tàu hoặc container vận
chuyển hàng hóa bị chìm. Trong chế độ 325kHz nó thường có thể phân biệt các
đối tượng như dây neo, xích neo, neo… những vật nhỏ hơn hoặc dùng để khảo
sát những chỗ biến đổi nhỏ của địa hình đáy biển.
Loại cảm biến EDF là loại có độ phân giải cao nhất. Khi hoạt động ở tần
số 780kHz thì sẽ cho những hình ảnh chi tiết nhất, rất hữu ích cho việc xác
định một đối tượng nhỏ dưới lòng đại dương.
Sự lựa chọn giữa loại cảm biến DF và DEF phụ thuộc vào độ sâu của khu
vực khảo sát địa hình và tùy thuộc vào kích thước của tàu kéo. Cả hai loại đều
SV: NguyÔn Nh÷ Thµnh 25 Líp: Tr¾c §Þa